圖片作者：NotebookLM
氮是植物生長不可或缺的元素，但大多數植物只能依賴土壤中的氮肥，唯獨豆科植物演化出了「超能力」——它們能與土壤中的根瘤菌（Rhizobia）「交朋友」，讓細菌住進根部特製的「房子」（根瘤）中，將空氣中的氮氣轉化為養分。
最近的研究發現：區分「敵人」與「朋友」的關鍵，可能僅僅在於受體蛋白上的兩個胺基酸！
在豆科模式植物百脈根（Lotus japonicus）的根部細胞膜上，駐守著兩類外型極為相似的受體激酶：
其中一個是NFR1（Nod Factor Receptor 1），負責辨識根瘤菌發出的「通關密語」（Nod因子），啟動共生反應。
另外一個則是負責辨識真菌細胞壁的幾丁質（Chitin）的CERK6（Chitin Elicitor Receptor Kinase 6），會啟動免疫防禦反應。
這兩個受體的胞內激酶結構域（Kinase domain）在結構上高度相似（註），甚至可以在同一個細胞中共存。這就讓科學家感到好奇，為什麼 NFR1 接收訊號後會說「歡迎光臨」，而 CERK6 接收訊號後卻會說「滾出去」？究竟是受體內部的哪個構造決定了這截然不同的命運？
為了這解開謎團，來自丹麥奧胡斯大學的研究團隊進行了一場精細的「移花接木」實驗。他們將 NFR1 和 CERK6 的不同片段進行互換，構建了37種「混血」受體，試圖找出決定訊號走向的關鍵區域。
經過層層篩選，他們在受體激酶域前方、靠近細胞膜的一個被稱為「近膜區」（Juxtamembrane region）的位置，鎖定了一段長約 23 個胺基酸的序列。研究團隊發現，如果移除了 NFR1 的這段序列，它就無法啟動根瘤形成；反之，如果把這段序列「移植」給免疫受體 CERK6，CERK6 竟然開始具備啟動共生的能力！於是他們將這段關鍵區域命名為「共生決定因子 1」（Symbiosis Determinant 1），簡稱SD1 。
如果故事就到這裡，那麼大概就不會刊登在《自然》期刊上。更令人震驚的發現還在後頭。雖然 SD1 很重要，但當研究人員仔細比對 NFR1 和 CERK6 的 SD1 序列時，發現它們之間其實只有 6 個胺基酸不同。
於是他們進一步測試，發現根本不需要替換整段 SD1。只要將 CERK6 上的兩個關鍵位點進行突變（將蘇胺酸 T304 換成甲硫胺酸 M，並將天門冬胺酸 D306 換成丙胺酸 A），這個原本負責「殺敵」的免疫受體，就能開始做完全不一樣的事：誘導根瘤形成並允許細菌感染。
這意味著，豆科植物可能只是透過改變了受體上的一兩個「字母」，就將原本的防禦機制轉化為了接納共生的機制。
真正令人感到更驚人的結果是，為了證明這個機制的通用性，研究團隊大膽地將目光轉向了非豆科作物——大麥（Barley）。大麥是單子葉植物，擁有一種名為 RLK4 的免疫受體，演化親緣關係上與豆科的受體相當接近。
他們將含有 SD1 關鍵特徵的序列「編輯」進大麥的 RLK4 受體中，並將其轉殖回日本百脈根中進行測試。結果顯示，這個經過改造的大麥受體，竟然也能在日本百脈根中成功觸發根瘤形成和細菌感染絲的發育！
也就是說，他們不僅發現了植物細胞通訊的精妙機制，更為未來的農業工程點亮了一盞明燈。過去我們認為，要讓玉米、小麥等作物學會固氮，可能需要轉殖整套複雜的細菌基因或重塑植物的發育路徑。但現在看來，關鍵的第一步可能比我們想像的要簡單得多——或許只需要在現有的受體上，精準地修改幾個胺基酸，就能敲開植物「交朋友」的大門。
最複雜的功能轉變，有時就藏在最微小的結構差異之中；真的是很奇妙啊！
參考文獻：
Tsitsikli, M., Simonsen, B., Luu, TB. et al. Two residues reprogram immunity receptors for nitrogen-fixing symbiosis. Nature 648, 443–450 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09696-3
註：會這麼像，主要是因為Nod factor也是一種多醣。事實上這篇論文也提到，豆科植物的 NFR1 受體是從古老的免疫受體 CERK 演化而來的 。
